蔗糖的转化

蔗糖水解反应速率常数的测定

目的：1．根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应,测定其反应速率常数。

2．了解旋光仪的基本原理，掌握使用方法。

原理：蔗糖转化的方程为：

C 12H 22O 11(蔗糖) + H 2O C 6H 12O 6(果糖) + C 6H 12O 6(葡萄糖)

此反应速度与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H +离子的浓度有关，在催化剂H +浓度固定的条件下，此反应本是二级反应。反应的速率方程表示为： 12221112221121C H O C H O H O K c c ｄｒ＝－ｃ＝ｄｔ

但在蔗糖浓度不大的情况下，虽然有部分水分子参加反应，但在反应过程中水的浓度变化很小，可以认为2H O ｃ基本保持不变，速率方程由二级反应简化为一级反应，表示为：

122211122211'1C H O C H O K c ｄｒ＝－ｃ＝ｄｔ122211122211

'1C H O C H O K dt =-d ｃｃ(1) 积分得：0

ln t c kt c =-或0ln ln t c kt c =-+(2) 其中k 是反应速度常数，c 0是反应物初浓度，c t 为t 时反应物浓度，t 是时间，若以ln c t 对t 作图，可得一直线，其斜率即为反应速度常数k 。

反应进行到反应物浓度为初始浓度的一半（1/2）时所需要的时间称为半衰期（t 1/2）,一级反应的半衰期为：

1/21/2ln

=-kt =-ln21

1/2ln2k t = (3) 由（3）式可以知道，一级反应的半衰期只决定于反应速度常数k ，而与起始浓度无关。这是一级反应的一个特点。

本反应中，反应物以及产物都具有旋光性，我们将具有旋光性的物质称为旋光物质或称为光学活性物质，使偏光振动平面向右旋转称为右旋体，能使偏光向左旋转的称为左旋体。旋光物质使偏光振动平面旋转的角度称为旋光度，通常用α表示。但旋光度α受温度、波长、溶剂、浓度、盛液管长度的影响，因此物质的旋光性，一般是用比旋光度（specific rotation ）

[]t

λα表示。t 为测定时的温度，一般是室温，λ为测定时光的波长一般采用钠光（波长为589.3nm,用符号D 表示）。比旋光度仅决定于物质的结构，是物质特有的物理常数。一般用（+）表示右旋，（-）表示左旋。对于溶液：

α：旋光度，l ：盛液管的长度，单位：分米， c 溶液的浓度，单位：克/毫升。 对于纯液体：

−→−+

H

d:液体的密度

根据比旋光度的定义，[]t

l c λαα=⋅⋅（4）

即，当其他条件不变时，旋光度α与反应物浓度成正比，kc α=

式中：k 是与物质的旋光能力、溶液层厚度、溶剂性质、光源的波长、反应时的温度等有关的常数。

蔗糖是右旋性的物质，比旋光度，生成物中葡萄糖也是右旋性物质，

，但果糖是左旋性物质，。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄

糖的右旋性大，因此当水解作用进行时，右旋角不断减小，反应终了时体系的旋光度将经过零变成左旋。

因为上述反应中，反应物与生成物都具有旋光性，且旋光度与浓度成正比，而溶液的旋光度为各组分旋光度之和（旋光度的加和性）。设反应时间为0、t 、∞时，溶液的旋光度分别为α0、αt 和α∞。则根据（4）式，可以得到：

最初的旋光度为：α0 = K 反应物C 0（蔗糖尚未转化，t = 0） (5)

最后的旋光度为：α∞ = K 生成物C 0（蔗糖全部转化，t = ∞） (6)

式中K 反应物，K 生成物分别为反应物与生成物之比例常数，C 0为反应物质的最初浓度亦即生成物最后之浓度，当时间为t 时，蔗糖浓度为C ，旋光度为。

αt = K 反应物C + K 生成物(C 0–C) (7)

由(4)，(5)，(6)得：

C 0 = (α0 – α∞)/(K 反应物– K 生成物) = K (α0 – α∞)（8）

C = (αt – α∞)/(K 反应物– K 生成物) = K (αt – α∞)（9）

将此关系式代入(2)得：

(7)

若以lg (αt – α∞)对t 作图，从其斜率即可求得反应速度常数K 。

本试验就是通过测定αt 和α∞，求蔗糖水解反应得速率常数。

由于温度对反应速度有影响，必须恒温进行。

仪器、药品：

旋光仪，秒表，恒温槽，100ml 锥形瓶，20ml 移液管，100ml 量筒，1/10刻度温度计，蔗糖，1：2盐酸。

实验内容：

（1）如果旋光仪的旋光管带有外套，可以采用恒温槽进行恒温，则将恒温槽设定为20℃；如果旋光管不带外套，则采用室温。

(2)旋光仪零点的效正

6.66][20D =α 5.52][20D =α 9.91][20D -=αt ααααt C C 303.2t 0K K =--⇒=∞∞lg ln 0)lg(303.2)0t ∞∞-+-=-⇒ααt ααK lg(

蒸馏水为非旋光物质，可以用它核对仪器的零点。拧开旋光槽一端的压盖，洗净旋光槽，加入蒸馏水至满，将玻璃片帖着液面小心推盖在液面上，旋紧压盖，若有气泡，需重新操作。用滤纸将管外擦干，旋光管两端的玻璃片，可用镜头纸擦净。把旋光管放入旋光仪内，打开光源，调整目镜焦距，使视野清楚，旋转检偏镜，使视野中能观察到明暗相等的三分视野为止（注意：在暗视野下测定）。计下检偏镜之旋转角α，重复三次，取其平均值，此值即为仪器的零点。测后取出旋光管，倒出蒸馏水。

(3)配制溶液

用台称称取10g蔗糖溶于蒸馏水中，用50ml容量瓶稀释至刻度，若溶液浑浊应过滤一次。

(3)旋光度的测定

用移液管各取50.00ml的盐酸和25.00m蔗糖溶液，并分别置于两个100ml的锥形瓶中，放入恒温槽10分钟。取出，把盐酸倒入蔗糖中摇荡。同时用此混合液少许，洗旋光管2–3次后，装满旋光管。擦净管外溶液后，尽快放入旋光仪中进行观察测量，当盐酸倒入蔗糖溶液中时，打开秒表开始计时。

测量不同时间t时溶液的旋光角αt。由于αt随时间不断改变，因此找平衡点和读数均要熟练迅速，寻找平衡点立即计下时间t，而后再读取旋光角αt。开始一刻钟内每二分钟记录一次读数，以后每5分钟读一次读数，直至旋光角由右旋变左旋为止。

(4)α∞的测定

α∞的测定可以将剩余的糖和盐酸的等体积混合液置于50℃—60℃水溶液中温热30分钟，然后冷却至35℃，再测此溶液的旋光度，即为α∞值。

由于酸会腐蚀旋光仪的金属套，因此实验一结束，必须将其擦洗干净。

(5)数据处理

a.列出t—αt表，并作出相应αt—t图。

b.从αt—t图曲线上，读出等间隔时间t时的旋光角αt，并算出(αt—α∞)和lg(αt

—α∞)的值。

c.以lg(αt—α∞)对t作图，由曲线的形状判断反应的级数，由直线的斜率求反应

速度常数K。

d.由K值计算这一反应的半衰期t1/2。

思考题：

1．如何判断断某一旋光物质是左旋还是右旋？

2．已知蔗糖的[α] = 65.55℃，设光源为钠光源D线，旋光管长为20cm。试估算你所配

的蔗糖和盐酸混合液的最初旋光角度是多少？

作图中，直线的ln C轴上的截距数据是什么值？与(2)题结果是否相等？为什么？